ARM big.LITTLE系統技術(shù)應用

　　圖5的性能測評是由Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器集群各自獨立運轉。測試芯片的Cortex-A15最高頻率達1.2GHz，Cortex-A7則為1GHz。性能測評結果顯示，雖然測試芯片上的內存系統，其性能不如big.LITTLE 系統級芯片量產(chǎn)后的預測水平，Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器的性能仍落在預期范圍內。根據各個(gè)核心獨立運轉所得結果，我們對平臺測量big.LITTLE性能的準確度深具信心。測試芯片平臺軟件包含基本的Linux核心，還采用了中央處理器轉移軟件與big.LITTLE MP修正程序組，以測試中央處理器轉移或big.LITTLE MP模式。

　　而用來(lái)測試big.LITTLE性能的任務(wù)量，主要基于A(yíng)ndroid Cream Sandwich系統，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )瀏覽器性能循環(huán)，背景則有音效播放。在這個(gè)使用實(shí)例中，是以相當密集的工作量搭配對性能需求不高的背景活動(dòng)。網(wǎng)絡(luò )瀏覽器每2秒便進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)循環(huán)，每頁(yè)卷動(dòng)達500像素，因此對系統性能需求相對較高。為了在進(jìn)行性能測試的同時(shí)測量性能與能耗，首先必須建立性能與能耗的基線(xiàn)。而這個(gè)基線(xiàn)則搭配獨立運作的Cortex-A15集群進(jìn)行測量。

　　值得一提的是，這組結論屬于較早期的測試結果;用來(lái)測試的第一版big.LITTLE MP修正程序組，將Linux排程程序從一個(gè)完整而平衡的排程模式調整成big.LITTLE模式。我們預期軟件修正后性能與能耗將會(huì )改善，也會(huì )尋找其他可調校的元素。另外 ，測試芯片缺少繪圖處理器;這將使得中央處理器的負載高于搭載繪圖處理器的系統在卸除狀態(tài)下的負載水平，而在中央處理器負載較低的狀況下，可能會(huì )較常使用LITTLE核心，進(jìn)而達到節能目的。它包含一套基本的電壓及頻率操作點(diǎn)(DVFS)，但沒(méi)有對單處理器核心做獨立的電源開(kāi)關(guān)設計，因此big.LITTLE系統單芯片量產(chǎn)后測試結果有望提升。舉例來(lái)說(shuō)，后臺任務(wù)的性能便可節省超過(guò)70%的能耗。

　　如何選擇big.LITTLE軟件模式

　　各界最常見(jiàn)的疑問(wèn)就是：“應該選擇哪一種軟件模式?”目前主要是在中央處理器轉移與big.LITTLE MP之間選擇一種，而兩種方式各有優(yōu)劣勢。在中央處理器轉移方面，由于big以及LITTLE核心處于搭配成對的狀態(tài)，因此對稱(chēng)式的拓撲能順暢運作。而big及LITTLE核心數量不同的非對稱(chēng)式拓撲則需要額外運作。由于Cortex-A7中央處理器核心體積較小，因此可使用4個(gè)LITTLE核心加上1到2個(gè)big核心，這種作法可能會(huì )具有吸引力。從正面的角度來(lái)看，中央處理器轉移讓電源及性能的調校更為容易，可重復利用既有的操作系統電源管理程序代碼，代表產(chǎn)品將有多年的研發(fā)及測試結果作為支持。加上不必調整核心的排程程序，范圍比執行big.LITTLE MP模式更為簡(jiǎn)化, 而軟件模式也正日趨成熟。整體而言，中央處理器轉移是一種極佳的解決方案，2013上半年后可望進(jìn)入量產(chǎn)，并持續為尚未完成big.LITTLE MP模式升級準備的系統提供可行的轉移模式解決方案。

　　big.LITTLE MP具有多項技術(shù)上的優(yōu)勢，雖然技術(shù)尚未完全成熟，但目前正處于進(jìn)階研發(fā)階段，測試結果如本文所示相當不錯。由于支持非對稱(chēng)式拓撲為標準配備，因此無(wú)需調整軟件，big.LITTLE MP技術(shù)便能利用系統中所有核心。它在性能與能耗方面優(yōu)點(diǎn)更多。舉例來(lái)說(shuō)，它能同步利用所有核心以提升性能，或將big與LITTLE核心上的DVFS設定與排程程序設定調成不同狀態(tài)以節省更多能耗。因為需要增加調校的動(dòng)作，才能從big.LITTLE MP平臺獲取完整的性能及能耗優(yōu)勢，所以彈性提升仍有其代價(jià)。這與過(guò)去數年來(lái)由硅組件以及代工廠(chǎng)商將操作系統能源管理設定以及DVFS參數數據，并依據裝置需求轉化為移動(dòng)系統級芯片平臺的主流做法并無(wú)太大差異。big.LITTLE MP 模式將轉移模式延伸并納入新的參數數據，不僅更為節能，更能為經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化的big核心增加系統響應度。

　　big.LITTLE MP模式正快速成熟，雖然尚未成為主流技術(shù)，但目前這項技術(shù)已可接受合作伙伴整合，并有望在2013下半年打入上游。所幸支持big.LITTLE MP并不需要改變硬件，因此晶圓廠(chǎng)可能會(huì )部署具有中央處理器轉移的平臺，針對部署平臺進(jìn)行核心更新并升級至big.LITTLE MP模式，或建設現有的big.LITTLE平臺以便在2013年后半年直接取得big.LITTLE MP 軟件轉移模式。

　　雖然big.LITTLE MP模式尚未進(jìn)入量產(chǎn)，但如文中測試結果，我們可以看到相關(guān)軟件已開(kāi)始運作，并已開(kāi)始在硅組件廠(chǎng)研發(fā)平臺端進(jìn)行測試。big.LITTLE MP軟件已用于我們的測試系統，目前正積極進(jìn)行軟件強化，并針對各種實(shí)際應用將系統性能調校至最佳效果。

　　有部分的可調校因素已在應用中，包括排程程序的負載平衡策略、上下移轉點(diǎn)以及線(xiàn)程優(yōu)先順序，ARM與芯片設計合作伙伴將持續就上述領(lǐng)域進(jìn)行系統調校。

　　新一代big.LITTLE硬件

　　Cortex-A15與Cortex-A7核心代表第一代的big.LITTLE硬件。ARM已發(fā)布兩款具有big.LITTLE處理性能的新型中央處理器核心，即Cortex-A57以及Cortex-A53處理器。Cortex-A57處理器是經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化的big核心，每頻率周期的性能可增加25%，頻率性能也更為提高，效率則略高于Cortex-A15處理器。Cortex-A53處理器為L(cháng)ITTLE核心，每頻率周期的性能可增加40%，能源效率則大約于Cortex-A7處理器相同。

　　這些新的處理器核心在架構上都完全相同，并支持ARMv8架構，因此能導入全新的NEON技術(shù)與浮點(diǎn)功能、加密加速并支持64位架構。除了AMBA4 ACE，兩種核心也都支持新一代高速緩存一致總線(xiàn)架構，且與現有的ARMv7中央處理器核心相同，能在A(yíng)Arch32模式下執行既有程序代碼。支持64位及額外一般用途緩存器的應用方式效率更高，且能耗增加不多。同時(shí)，微架構也經(jīng)過(guò)強化，以增加各核心在每個(gè)指令頻率周期中的傳輸量。這些新款核心在經(jīng)過(guò)軟件細節升級并支持64位尋址模式后，將會(huì )與Cortex-A15以及Cortex-A7處理器一樣支持big.LITTLE技術(shù)。

　　結論

　　big.LITTLE系統為能耗及性能控制點(diǎn)的極度寬動(dòng)態(tài)(wide dynamic range)開(kāi)啟了大門(mén)。這是僅由單一類(lèi)型處理器組成的產(chǎn)品所無(wú)法達到的。目前市面上設備的工作量往往混雜了需求程度高低不同的線(xiàn)程，這種寬動(dòng)態(tài)便可為其提供完美的執行環(huán)境。由于日后Cortex-A7將成為平臺主力，這一系統另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即能夠打造基于Cortex-A7的高度節能產(chǎn)品。